[發(fā)明專利]低功率白熾燈的LED燈替換

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980101978.4
• 申請日: 2009-01-12
• 公開（公告）號: CN101940061A
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: R·G.·雅尼克;C·西安娜
• 申請（專利權(quán)）人: 戈肯集團(tuán)公司
• 主分類號: H05B33/02
• 分類號: H05B33/02
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 陳松濤;韓宏

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及LED(發(fā)光二極管)燈，并且尤其涉及替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的LED燈。

背景技術(shù)

白熾燈已經(jīng)存在了一百多年。由于白熾燈的高顯色指數(shù)(CRI)以及暖色溫，白熾燈讓人感覺愉快并且在審美上令人喜愛。然而，效率低、壽命短和能量浪費(fèi)已經(jīng)成為主要缺點(diǎn)，這迫使消費(fèi)者轉(zhuǎn)向諸如熒光燈的更加高效的光源。

如果不是熒光燈具有較低的CRI、物理上較大、具有閃爍效應(yīng)并且包括諸如汞的有害物質(zhì)，白熾燈在幾十年前就已經(jīng)不再使用了。

直到二十世紀(jì)八十年代后期，LED主要用作電子設(shè)備中的指示器燈。與白熾燈相比的高效率使得LED非常流行。到了二十世紀(jì)九十年代后期，開始興起高強(qiáng)度LED，包括白色LED。今天，LED芯片設(shè)計(jì)和制造的發(fā)展使得其在替代白熾燈方面比以往任何時候更切實(shí)可行。

然而，存在有使LED燈流行緩慢的若干挑戰(zhàn)：

1.較低的最大LED結(jié)點(diǎn)溫度以及熱耗散

LED以等于電壓降V_D與驅(qū)動電流I_D的乘積的速率產(chǎn)生熱，

其中P是功率而Q是由LED產(chǎn)生的熱能。LED結(jié)點(diǎn)溫度上升與所產(chǎn)生的熱和所耗散的熱之差有關(guān)。熱耗散與散熱器表面面積、不同介質(zhì)和界面的熱傳導(dǎo)率以及散熱器與環(huán)境溫度之間的溫度差有關(guān)。大多數(shù)LED具有125℃的最大結(jié)點(diǎn)溫度并且少數(shù)制造商宣稱可達(dá)180℃。從LED輸出的光受到熱能夠多快從模片(die)耗散的限制。隨著結(jié)點(diǎn)溫度升高，LED的發(fā)光輸出降低。圖1是典型LED的發(fā)光輸出對結(jié)點(diǎn)溫度的曲線。

2.發(fā)光輸出和效能。

發(fā)光效能是發(fā)光通量(Lm)與施加的功率(瓦特)的比值。低功率白熾燈能效的典型值是：

發(fā)光能效???????????????LM/W

燃燒蠟燭???????????????0.3

5W白熾燈???????????????5

40W熾燈????????????????12

在過去的幾年中，LED能效已經(jīng)得到改善并且超過了100Lm/W。通常，可用功率LED能夠測量高達(dá)85Lm/W。然而，應(yīng)該注意到，這些測量在25℃的結(jié)點(diǎn)溫度以及減小的驅(qū)動電流下進(jìn)行。

如先前所注意的，在模片溫度增加時，發(fā)光輸出降低。增加驅(qū)動電流對降低能效具有甚至更大的影響。如圖2所示，隨著電流增加，光輸出按照非線性方式增加，但是如圖3所示，電壓也增加。

換句話說，如果電流I增加因數(shù)(1+K，其中0＜K＜1)，則不僅發(fā)光輸出將增加因數(shù)(k+1，其中0＜k＜K)，而且LED電壓V也將增加因數(shù)(1+v)。新的LED功耗將變?yōu)椋?/p>

P＝(I+K)×(V+v)＝(I+K)×V+(I+K)×v

其中第一項(xiàng)代表僅由于電流的增加而導(dǎo)致的功率增加，并且第二項(xiàng)代表由于電流和電壓的增加而導(dǎo)致的功率增加。

因而，增加LED電流將以降低其能效為代價增加LED輸出。流明的百分比增加低于電流的增加，這將以更高的速率降低能效。

3.LED是單向光源

LED以小于半空間的錐形發(fā)射光，這使得其難于在傳統(tǒng)的“A”型燈中使用，如圖4所示。當(dāng)安裝在散熱器上并且放置在類似燈泡的殼體中時，一些光將由封裝和透鏡材料吸收，這將降低系統(tǒng)能效。為了使LED在“A”型燈中成功實(shí)現(xiàn)，需要將LED升高到燈泡的中心，但是這降低了熱耗散能力。

4.需要功率轉(zhuǎn)換

LED是需要恒流源電源(圖5)的電流驅(qū)動設(shè)備。如圖3所示，由LED反映的電壓是驅(qū)動電流的指數(shù)函數(shù)。由于電壓源必須與LED電壓匹配，因此LED不能由電壓源驅(qū)動。否則，電壓除以總的電路電阻之間的差將導(dǎo)致電流很容易超出最大LED額定并且使設(shè)備發(fā)生故障。

恒流源電源增加成本并且降低LED燈系統(tǒng)的可靠性和效率。5瓦特以下的反激式(fly-back)電源具有小于80％的典型效率，這將降低整個燈系統(tǒng)的發(fā)光能效。

電源占據(jù)了燈系統(tǒng)中寶貴的空間(real?estate)，并且為了使電源與由LED產(chǎn)生的熱隔離，需要采取特殊措施。

5.可調(diào)光性

調(diào)光器通過相位控制AC輸入電壓來控制光輸出。然而，恒流電源將補(bǔ)償輸入電壓中的任何變化以使輸出電流保持恒定。存在允許可調(diào)光性的特殊電源。設(shè)計(jì)這些電源以產(chǎn)生與RMS輸入電壓成比例的輸出電流。這樣的電源通常更加復(fù)雜并且具有更低的效率。